疲劳研究简介

疲劳研究简介疲劳及疲劳破坏：由于固体内部微观组织中位错的存在，在外部交变载荷作用下，裂纹萌生、裂纹扩展直至固体发生破坏的过程。疲劳现象的基本认识内因：金属中的晶体的位错外因：交变载荷过程：损伤累积的过程，有明显的裂纹萌生和扩展过程非疲劳破坏与疲劳破坏断裂强度（Speak）瞬间断裂循环（Sa，Sm）i损伤累积疲劳研究的目的疲劳破坏是机械设备的主要破坏形式（80％～90％）；疲劳破坏往往造成重大的经济损失和人员伤亡；通过试验、计算或监控手段，防止疲劳失效及其造成的事故，保障设备使用安全是疲劳研究的主要目的。抗疲劳保障安全的手段通过计算分析和试验考核手段，进行疲劳寿命设计。根据用户要求设计，不参与使用过程。寿命估算CAD/CAE失败通过设计方案用户要求数据库材料数据道路载荷道路试验产品试制通过失败用户使用量产抗疲劳保障安全的手段通过监控手段，建立疲劳寿命动态估计和安全预警机制，参与使用过程，当设备濒临破坏时，给出预警，以便用户进行维护和更换。即将破坏？预警计算信号监控

调整使用行为否是疲劳寿命疲劳设计的目标量化疲劳寿命：设备在正常使用过程中，所承受交变载荷的循环次数。裂纹萌生寿命裂纹扩展寿命总寿命疲劳破坏研究的基本内容内因：材料的基本特性、几何尺寸、表面处理等抗疲劳性质外因：载荷特征的提取及其对疲劳过程的影响疲劳模型：综合内因和外因的疲劳过程，内因和外因作用于疲劳过程的数学表达循环（Sa，Sm）i损伤累积工程实用疲劳理论载荷几何尺寸、加工材料属性疲劳模型疲劳寿命内因外因疲劳分析经典五框图过程疲劳设计的目标量化疲劳寿命：设备在正常使用过程中，所承受交变载荷的循环次数。裂纹扩展寿命断裂力学方法（LEFM）损伤容限法裂纹萌生寿命局部应变（e-N）法总寿命名义应力（S-N）法工程实用疲劳理论同样的名义应力，同样的总寿命名义应力（S-N）法ΔSNf同样的应力幅值，均值应力大，则寿命短名义应力法平均应力修正Kf

－－应力集中；msur－－表面加工质量以及表面处理；msize－－尺寸效应；…名义应力法其它修正ΔSNf同样的局部应变，同样的裂纹萌生寿命局部应变（e-N）法εa2Nf平均应力：根据Neuber法则算平均应力，应用SWT方法或Morrow方法修正eN曲线表面加工质量和表面处理应力集中…局部应变法修正同样的应力强度因子，同样的裂纹扩展速率线弹性断裂力学法（LEFM）若结构在应力幅为ΔS的载荷作用下，其疲劳寿命为Nf

，则单次幅值为ΔS的载荷循环对结构造成的损伤为：疲劳损伤的定义ΔSNf若结构在应力幅为ΔSi

的载荷作用下，其疲劳寿命为Nfi，则n次幅值为ΔSi

的载荷循环对结构造成的损伤为：疲劳损伤的定义ΔSiNfi损伤的线性累加（Miner）准则：不同应力幅的载荷混合作用下，载荷循环对结构造成的损伤为：损伤的线性累加准则ΔS1

ΔS2

ΔS3Nf1Nf1Nf2Nf3实际工作中，结构所受的载荷是不规则的，具有一定的随机性，在物理样机形成之前的设计阶段，较难在试验台上再现载荷谱处理与损伤累积应用雨流计数方法，统计载荷的均值和幅值分布载荷谱的特征提取：雨流法雨流计数统计根据计数结果，对个循环计算损伤值，并累加计算寿命变载荷损伤累积和寿命计算∑疲劳模型大多以应变或应力为基本的载荷输入，若载荷谱测录能直接获取局部应力应变，则疲劳寿命可以直接计算；载荷谱的获取和应用对于非直接测量的其它载荷谱信息，通常有两种用途：道路模拟试验机，通过试验得到寿命，用于物理样机的寿命考核；在有限元计算结果中作为边界条件加入，求解动应力应变谱，然后带入疲劳计算模型中分析寿命，用于样机之前的虚拟寿命设计；作用：在设计的较早阶段就对零部件以及整机进行疲劳分析并做初步的评估，减少疲劳寿命设计对试验的依赖，提高设计效率，降低开发成本，缩短设计周期有限元疲劳分析基本流程：载荷几何尺寸、加工材料属性有限元疲劳寿命疲劳模型直接法：以载荷谱为边界条件，在时域中加载荷步；计算成本太高，对长载荷谱无法应用。有限元疲劳分析思路可处理长载荷谱的简化方法：不考虑模态：准静态线性叠加法考虑模态：模态叠加法每一个疲劳问题都有其明显的特殊性，在应用时应注意在基本疲劳模型的基础上进行合理的修正；疲劳理论的工程应用大多数的疲劳寿命计算，尤其是有限元虚拟寿命计算，所得到的结果都是一个概念性的值，其计算只能提供方向性的指导作用，最终的疲劳寿命应该与试验相关联。计算分析：模拟试验：要获得一个合理的疲劳寿命设计，一定要调查设计目标的用途，也即必须得到载荷谱；关联有限元疲劳的工程应用一个实例：散热器某焊接部位的焊点分布焊点数量？焊点位置？基于有限元的虚拟疲劳分析可对焊点位置做合理的优化，大大减少样品试验的费用布莱尔